多学科交叉融合驱动下机器人导论课程实践与思考

摘 要：机器人导论课程涉及多个学科的深度交叉融合，重点学习机器人关键共性技术，并启发式介绍核心前沿技术。该文首先介绍机器人不同分类及关键技术，然后从教学目标、内容与方法三个方面阐释该课程实践现状，并对存在的矛盾问题进行总结分析。依托“三航特色”，根植“总师育人文化”，对课程在专业知识与思政教育两个层面的改革措施进行深度思考，以期能培养出“专业精、系统强、重实践、能担当”的科研后备力量。

关键词：机器人导论；机器人；多学科交叉融合；课程实践与思考；总师育人文化

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）33-0034-04

Abstract： Introduction to Robotics involves multidisciplinary intersection and integration， which mainly focuses on key generic technologies and heuristically introduces core cutting-edge technologies. This paper introduces different classifications and key technologies of robots， and then presents the practice status in terms of teaching objectives， content and methodology， while it summarizes and analyzes the contradictory problems. In order to cultivate "specialized， systematic， practical and responsible" scientific research reserves， we deeply think over reform measures of this course from professional knowledge and ideological education， which considers"Features of Aeronautics， Astronautics， and Marine"and"Master Education Culture".

Keywords： Introduction to Robotics; robot; multidisciplinary intersection and integration; curriculum practice and thinking; master education culture

机器人导论（Introduction to Robotics）作为一门多学科交叉融合课程，以机器人关键技术为课程核心，重点介绍构成、建模、感知、导航、规划、控制、决策、前沿等内容知识，涉及学科包括数学、力学、机械、材料、电气、控制、计算机、人工智能、软件、工艺设计等多个学科的深度交叉融合。机器人导论聚焦“四个面向”，以解决“卡脖子”问题为牵引，以培养多学科交叉融合科研人才为目标，以期引领我国机器人领域赶超世界一流水平。

我国在“中国制造2025”“新工科建设”“机器人+”应用行动实施方案等一系列规划中已经将机器人产业发展提升到了战略层面，特别是机器人与人工智能有机结合，已经成功引发了第四次科技革命新浪潮[1]。机器人行业发展潜力巨大，相关从业人员需求量激增，在制造业、农业、物流、医疗、军事等领域已经得到了广泛应用[2-6]。首先简要介绍了机器人的不同分类形式与关键技术；然后介绍西北工业大学（以下简称“我校”）机器人导论课程实践情况，包括课程教学目标、内容与方法等；最后以多学科交叉融合驱动为大背景，对本课程实践中遇到的矛盾问题进行总结，并对如何与我校“总师育人文化”深度结合进行深入思考。

一 机器人分类及关键技术

机器人技术具有高度集成性，其高速发展离不开传感技术、控制技术、驱动技术等关键共性技术，也离不开自主导航技术、人机交互技术、智能决策技术等核心前沿技术。机器人至今还未形成统一定义，狭义上讲就是能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器[7-9]，其从驱动构型、智能程度等方面可以划分为不同类型。

（一） 从驱动构型上划分，机器人包括固定式、履带式、轮式、足式、巡游式、混合式六大类

1）固定式机器人是指整体固定在底座上，只能移动部分关节的机器人，通常其执行器末端装备有特种机械手，常用于制造行业，代表性的有ABB机械臂、KUKA机械臂等。

2）履带式机器人是指搭载履带底盘机构的机器人，越野机动性强，常用于野外侦察、设备搬运等，代表性的有iRobot机器人、Talon机器人等。

3）轮式机器人是指以轮子形式运动的机器人，结构相对简单，运动速度快，常用于现场巡检、物流运输等，代表性的有Husky无人车、Nuro无人车等。

4）足式机器人是指通过驱动类似于腿足的装置来移动自身的机器人，环境适应能力强，常用于灾后救援、家庭服务等，代表性的有Spot机器狗、Atlas机器人等。

5）巡游式机器人是指搭载推机器驱动机构的机器人，可在空中、水中进行巡游，常用于监控测绘、军事对抗等，代表性的有彩虹-4无人机、Remus6000自主水下航行器等。

6）混合式机器人是指同时采用多种动力构型进行混合驱动的机器人，可在不同驱动方式之间有效切换，属于新概念意义上的机器人，代表性的有ANYmal轮足混合机器狗、我校自研水下六足机器人等。

（二） 从智能程度上划分，机器人包括程序型、传感型、交互型、自主型四大类，智能化水平逐步提升

①程序型机器人是指按照预先编制流程进行作业的机器人。②传感型机器人是指能够利用传感数据进行信息处理，执行作业任务的机器人。③交互型机器人是指具有人机交互功能，能够在线实现人类意图的机器人。④自主型机器人是指具有学习功能，能够根据作业环境自主调整行为的机器人。

除此之外，还有多种其他划分形式，例如，从用途上划分为工业机器人、服务机器人以及特种机器人；从机构学上划分为串联机器人、并联机器人。不同类型的机器人既有关键共性技术，也有核心前沿技术，在机器人导论课程中，重点关注关键共性技术相关的基础知识内容，同时也对核心前沿技术进行启发式介绍。

机器人技术涉及到多个学科的深度交叉融合，从设计到实现再到应用，各项关键技术的飞速发展，为机器人领域注入了创新活力。例如，如何研发新型材料解决机器人轻量化问题；如何设计精巧机械结构解决机器人多模态运动问题等。为了保证机器人能够有效作业，可从观察、定位、决策、行动四个环节分别对关键技术进行分析总结。

在观察环节，关键技术主要是态势感知，主要包括①智能感知：收集机器人作业环境数据，利用深度学习，建立局部或全局环境模型，例如，深度学习在同时定位与地图构建中的应用、多模态约束下的数据融合、具有抗干扰性能的模型信息提取、机器学习在环境搜索中的应用等；②目标识别：物体识别、姿态识别等，明确机器人的作业目标信息，例如，非结构化环境中的物体识别、复杂环境中的目标识别等；③协同感知：多个机器人组成探测网络，如何用最少的机器人探测最大作业区域，例如，合作博弈在区域监测中的应用、异构传感器的信息融合、任务分配等。

在定位环节，关键技术主要是信息处理，主要包括①信息融合：收集机器人作业数据，进行大数据挖掘，不同信息的端到端特征提取，满足在线实时性需求，例如，声光等传感器的数据挖掘、机器学习在特征提取中的应用等；②目标意图：推测作业场景态势变化，判断动态目标动作意图，例如，机器学习在目标运动预测中的应用、智能化推理方法等。

在决策环节，关键技术主要是决策生成，主要包括①路径规划：根据机器人运动目的，生成优化轨迹，例如，机器学习与传统规划方法相结合、优化方法与运动目的分解相结合、崎岖地形中的高效避障等；②智能指挥：综合分析态势信息，确定多机器人系统运动目的，明确各个机器人目的，例如，协同对抗与任务分配相结合、机电约束与功能异构相结合、人机交互等；③微分博弈：考虑实际机器人微分模型约束，重点关注博弈对抗领域中的微分博弈理论，例如，非结构化对抗场景下博弈、跨域协同对抗等。

在行动环节，关键技术主要是精准控制，主要包括①学习控制：机器人模型无法完全已知，利用学习方法对传统控制方法在控制输入受限条件下进行改进，拓展控制方法的适用范围，例如，强化学习在跟踪控制中的应用、安全学习与机电约束相结合等；②协同控制：单个机器人多控制目标下的协同，多机器人系统之间的控制协同，例如，多目标优化控制、分布式协同等；③模型与数据混合驱动：传统机理分析与机器学习相结合，例如，将模型机理信息融入到神经网络结构的设计、神经网络初始权重的选取等，增强数据驱动方法的可解释性，拓展模型机理方法应用范围等。

机器人导论作为多学科交叉融合下的专业课程，通过介绍机器人基础理论，能够掌握关键技术核心内容，把握机器人未来发展趋势。另外，通过了解机器人关键技术最新前沿，进一步加深对本课程的学习。

二 我校机器人导论课程实践情况

我校依托航空、航天、航海的“三航特色”，始终以“育国之栋梁、铸国之重器”为使命，以“低调务实、兼收并蓄、厚积薄发、为国铸剑”为特质的“总师育人文化”引领人才培养，旨在培养出“专业精、系统强、重实践、能担当”的科研后备力量[10]。

目前，斯坦福大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、剑桥大学等一众全球知名高校均开设有机器人相关课程。我校开设的机器人导课程侧重于国防装备领域机器人教学，以无人机、航天器、水下航行器等系列化装备为案例，讲授机器人关键技术涵盖的基本内容知识，以小组合作形式熟悉机器人项目研发流程，以期达到使学生掌握机器人相关知识理论并具有独立解决机器人关键技术问题潜力的教学目标。同时，在思政教育教学方面深度融合“三航特色”，引导学生爱党爱国、献身国防，用赤诚的爱国之心、强烈的报国之志，履行人才强国、科技报国的职责。

我校机器人导论课程共32学时，2学分，主要面向我校航海学院信息工程、水声工程、船舶与海洋工程等专业学生，辐射全校信息类专业学生，此外针对我校留学生还特别开设有英语授课的机器人导论（英）。本课程已经形成了稳定的教学团队梯队，教学内容在保证机器人基础知识内容的前提下，在前沿部分紧跟当前最新技术发展，对相应内容进行不断迭代更新。目前现有机器人导论教学内容主要包含八个部分，分别为①机器人简介；②机器人建模；③机器人感知；④机器人导航；⑤机器人路径规划；⑥机器人控制；⑦机器人决策；⑧机器人技术前沿，其中第八部分的技术前沿主要介绍人工智能在机器人领域中的应用。

为了进一步提升本课程教学效果，教学团队根据教学内容的不同，采用多种教学方法。

传统课堂授课：在学生还未构建起机器人理论体系框架前提下，传统课堂授课能够帮助学生快速掌握基础理论知识，串联新老知识，形成对机器人技术的初步概念，并且通过传道-授业-解惑式的师生互动，鼓励学生参与到课堂学习中来，提高主动学习积极性。

案例任务驱动：借鉴国内外知名高校的教学案例，再结合我校“三航特色”，充分利用科研项目资源，将科研案例引入课堂，教学与科研相结合，结合教学团队所研究的不同类型机器人，以其应用为主线，讲述理论教学内容，既能培养独立思考的能力，也能体现出案例研讨式教学的真正价值，同时培养学生的写作和交流能力。

同时，还可以将思政元素巧妙地融入嵌入到案例任务中，机器人产业已在国家战略层面进行全方位部署，取得了丰硕成果，正极大改变着人类生产和生活方式，为经济社会发展注入强劲动能，涌现出了一大批攻坚克难、勇攀高峰、开拓创新的典型事例，结合我校“三航特色”，介绍前辈们为铸造国之重器做出的不懈努力，激发学生家国情怀，理解团队合作的重要性，增强科技强国、科技报国的责任感与使命感。

线下教学与线上专题讲座相结合：本课程目的是培养学生创新意识，拓展学生专业视野，体现不同学科交叉渗透，提升个性发展能力。教学团队在课后安排国内外知名学者开展线上交流讲座，讲座主题从课程涉及的各方向的关键技术展开，同时鼓励学生积极互动，了解机器人科研一线所需的必备知识。

文献资料查阅共享：对于机器人科技前沿部分，查阅最新学术论文，熟悉一流科研人员最新成果，初步把握机器人发展脉络及未来趋势，结合自身基础知识与当前科研能力，不断寻找促进机器人技术发展的切入点。

机器人导论教学团队积极探索有效教学模式，增加教学内容趣味性，调动学生互动积极性，以期高标准高质量实现教学目标。同时，及时更新前沿部分教学内容，在确保学生掌握机器人相关基础内容知识的前提下，锻炼学生对机器人技术脉络体系与未来发展趋势的把握能力。

三 多学科交叉融合驱动下的若干思考

机器人导论涉及学科门类众多，涵盖技术知识广泛，如何在多学科交叉融合驱动下提升教学质量，增强课程启发性仍值得深入思考。通过本课程多年来的教学实践，需要着重解决以下矛盾。

学生数理基础与课程挑战度之间的矛盾：机器人的运动学、动力学等方面需要学生扎实掌握微积分、力学方面的内容，而后续自主决策、规划控制、感知等方面则需要线性代数、概率论等方面的数学知识。因此，在机器人导论这门课中需要将物理知识对应到数学领域，然后利用数学知识解决问题，最后再反映射到物理领域，需要解决学生数理基础偏弱与课程挑战度高之间的矛盾。

课内学时较少与知识点众多之间的矛盾：本课程为2学分，共32学时，若仅通过课堂讲授，难以讲全讲透所有内容知识。因此，需要通过合理设计课程授课的知识体系以及课堂教学方案，并且配合适宜于学生实际的课后实践作业。同时，还需要考虑学生实际的编程基础以及动手操作能力，合理分解任务，使学生能够高质量地完成学习任务。

个性化培养与通识教育之间的矛盾：选修本课程的同学后续培养路线可能各不相同，既有计划深入钻研控制决策方面有深入了解，又有计划深耕导航规划领域，还有计划在数据融合方面更进一步等。作为多学科交叉课程，需要设计合理的教学方案让选修的同学既有通识基础知识又有专门深入知识。

机器人导论立足我校“三航特色”，根植“总师育人文化”，致力于培养多领域贯通、本专业精通的科研新生力量，为机器人行业输送批量人才。如何与我校“总师育人文化”深度结合是机器人导论在专业知识与思政教育层面都应重点考虑的问题。

在专业知识层面，“总师”型人才必须具备突出的个人科研能力，既要制定总体方案，又要把关具体技术攻关路线。机器人导论课程包含多个学科内容知识的内在交叉融合，能够有效托举“总师”型人才培养。为了进一步与我校“总师育人文化”相结合，机器人导论需要在教学目标、教学内容与教学方法等多个方面进行革新。在教学目标上需要增加对机器人技术系统性掌握要求，不仅要具有解决关键技术问题的潜力，还需要具有整合跨领域关键技术的能力；在教学内容上需要引入实际机器人研发案例部分，通过模块化分解机器人技术，提炼出关键共性技术与核心前沿技术，对所学基础内容知识的工程应用形成实例化认知，全面了解机器人实物的研制流程；在教学方法上需要强化学生与奋斗在科研一线型号总师之间的沟通交流，通过总师进课堂、总师在线等形式搭建多维度多途径交流互动平台，让学生“熟悉总师工作日常，了解总师成长过程，理解总师技术职责”。

在思政教育层面，“总师”型人才必须具备开拓创新、攻坚克难的思政素养，既要敢想敢为，又要善作善成。我校依托“三航特色”，坚持以“育国之栋梁、铸国之重器”为使命，深化“强烈使命担当、系统整机观念”总师人才能力素养培养，机器人导论在传授专业知识的同时，鼓励学生树立远大目标，充分发挥个人价值，积极投身于国防事业建设。以我校总师校友、型号攻关及项目研发中的身边人、身边事为思政素材，润物细无声地培养学生的理想信念与使命担当，从传统的说教灌输转变成新型的互动交流，让学生理解个人职业发展与民族伟大复兴息息相关，激发学生家国情怀，让专业课堂有思想、有温度、有情怀，满足大学生成长发展的需求和期待，让学生愿意听、愿意懂、愿意践行。

探索新形势下行业特色型机器人导论课程教学体系建设新思路，面向工程开发、创新需求和社会发展，以多学科交叉融合驱动为大背景，探索新型授课与考核模式，使得选修该课程的同学能够巩固数理力学基础知识的基础上，掌握机器人相关的基础知识，提高学生解决实际问题的能力，为培养知识面宽、实践能力高、创新意识强的复合型科研人才打下坚实基础。

四 结束语

在多学科交叉融合驱动大背景下，本文针对机器人导论课程实践现状以及特色化建设进行了详细分析与深度思考。不同类型机器人既有关键共性技术，又有核心前沿技术，本课程根据我校“三航特色”制定了极具特色的教学目标、教学内容与教学方法，并且通过本课程的教学实践，总结了需要解决的三大矛盾。结合我校“总师育人文化”，从专业知识与思政教育两个层面探讨了本课程后续改进途径。本文以机器人导论课程为切入点，探索了新工科背景下专业课程改革思路，希望能为机器人行业培养基础扎实、技术出色、思维创新的科研新力量。

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